纳米技术与未来生活

如果说20世纪微电子技术是科技的制高点的话，那么在21世纪纳米无疑是最亮丽的新星。
　　
　　什么是纳米
　　
　　什么是纳米?1997年9月21日北京大学成立了中国第一个纳米科技中心，后来我接到很多的电话，其中就有人问到，听说你们那搞出一个新米，就是纳米，这个东西贵不贵，产量有多高。我只好回答他，纳米这个东西看不见，似乎又摸不着，你如果吃它们的话一辈子都吃不饱。它仅仅是个长度单位。一个纳米长度相当于十亿分之一米。举个简单的例子来说，如果我们做成一个纳米的小球，把这个小球放在一个乒乓球上面的话，从比例上讲就相当于把一个乒乓球放到地球上面去，大家可以看到这个纳米的确是非常非常小的度量单位;度量微观世界的这么一个长度单位。实际上一个纳米里面只能排三五个原子左右。大家知道蛋白质，像血红蛋白一般67个纳米左右，细菌大约是几千个纳米，病毒大约几百个纳米这么一个数量级，细胞就更大一点，几万个纳米也就几十个微米左右这么一个数量级。
　　
　　什么是纳米科技
　　
　　什么是纳米技术?当然就是跟这个非常非常小的尺度和微观世界打交道的这么一种科学技术。它所涉及的最小的尺寸，严格地讲就是单元的尺寸，一般是在1～100个纳米这么一个数量级。纳米科技基本上是对待这么一个数量级的这么一个微观世界的这么一种科学技术。我想引用一下美国前总统克林顿在去年年初美国加州理工学院的一个讲话当中的三句话，这三句话非常形象地介绍了纳米是什么东西和它的前景。他说通过在原子分子水平上操纵、操控物质，去制造出强度是钢的十倍、重量只有钢的一个零头这么一种材料。还有，利用纳米技术，你可以把美国国会图书馆的资料放在一个方糖大小的小盒子内。那就相当于把一部《红楼梦》放在一个针头大小的小区域内。他提到的第三句话是什么呢?他说现在癌症一般都是在癌细胞的数量已经很多的时候才能被发现，如果是在刚刚出现三四个细胞的时候，你就能发现，自然有利于治疗，这些实际上就是典型的纳米技术，将来利用纳米技术有可能做到这一点。
　　美国人在国家纳米技术启动计划中，讲到纳米技术的精髓就是从对原子分子的精确操纵出发构建具有全新分子、全新排列形式的人造结构。换句话说，纳米技术希望能够操纵一个一个原子、一个一个分子，并用这种办法来做成一些材料、做成一些器件。如果能够实现这一点的话，那可是件非常了不起的事情。为什么呢?我们大家在中学课本里就学到，物质是由原子、分子构成的，如果说我们真正能自如地摆弄原子、操纵原子、操纵分子的话，那我们就能做很多事情。
　　大家想像一下，我们有可能做出一种万能制造机，一面放上各种各样的分子、原子，另一面想出来什么东西，就出来什么东西，比方说出来牛排、出来面包。就像小时候听说过的聚宝盆，如果我们想要什么东西，一敲它就出来一样。这有没有可能呢?在将来的某一天，利用纳米技术或许可以实现这一点。因为从原理上讲是有可能的。实际上1959年一个加州理工学院的教授就提出过这样一种设想。他说将来说不定有一天这种设想就能实现这一点。
　　作为纳米技术，本身它并不神秘，实际上从微米科技到纳米科技，应该说它是科学发展的一个自然的结果。我们现在生活在微米时代。在微米时代我们用计算机，还有录像机。大家看到的电视实际上是微米科技的结晶。那么微米技术已经做到什么程度?微电子加工技术已经做到0.17～0.18微米这么一个数量级，奔腾芯片就属于这样一个数量级，而实际上实验室里已经做到0.1个微米以下，也就是100个纳米左右。也就是说，从尺度上来讲，微米技术已经逐渐进入到纳米尺度。所以从某种意义上讲，从微米科技到纳米科技是科学发展的必然结果。或许我们可以畅想将来的某一天出现更新的科技—皮米科技，也是完全有可能的。
　　当然，如果说这个纳米技术仅仅是微米技术的简单延伸的话，我想不会引起人们这么大的关注。实际上纳米技术是建立在人们对纳米世界的新认识的基础之上的高科技。什么样的新认识?
　　经过近二三十年来的研究，大家发现当物质的尺寸变得非常非常小的时候，比方说到几十个纳米、十几个纳米，甚至到几个纳米，它会发生并表现出一系列奇特的性质。比方说我们把一块铜，红铜或黄铜，逐渐切成一厘米长，再逐渐去切取，切成一个微米、切成零点一几的微米，这个时候，它还会有金属光泽，变化不是非常大。但是你再进一步往下粉碎，往下切的话，比方说到十几个纳米的时候，你会发现它的性质完全不一样了，变成了一团黑糊糊的东西，金属光泽也会没有了。如果你再把它压制起来形成一个纳米材料的话，它的强度要比一般的传统的铜要高十几倍，而且可以像高分子塑料那样弯曲。
　　还有大家都知道陶瓷材料比较容易碎，碗掉到地上通常都会摔碎。但你用纳米材料做成陶瓷的话，它自然摔不碎，同时它又特别耐高温。比如说汽车的发动机，如果采用纳米材料，就可以减轻重量、省油，还可以减轻环境污染问题。为什么纳米技术会有这么一种奇特的性质?简言之，就是纳米技术有几大效应。比方说表面效应、表面镜面效应，还有量子效应、小子粒效应等等。由于这些现象、这些效应的存在导致纳米材料、纳米尺寸的结构具有一些特别的性质。
　　纳米科技可以使人们传统的思想方法有较为深刻的变化。比方说我们传统的制造过程都是从大到小的过程。大家想像一下，比如如果我们要做一个讲台的话，你就要把一棵树砍倒了以后再破成板，然后做成小块以后再对起来，这就是从大到小的过程，当然这属于低科技。现在的一些高科技也是如此，像集成电路的芯片，它的制作过程是，先制成5英寸、8英寸的芯片，然后在上面划道道，划成一个个小晶体管、一个个小电阻电容。最后变成集成电路，然后，做成计算机，这也是典型的从大到小的过程。但是纳米科技不一样，纳米科技追求的是从原子从分子开始一个一个地去把它组织起来，然后形成材料、形成器件。从这个意义上来讲，它的过程刚好相反，是从小到大而不是从大到小。我们通常做材料的时候常常是追求完美。做芯片，比方说集成电路的芯片，做5英寸的、做8英寸的、做12英寸的，这个东西越完美越好，完美的程度代表了一个国家的水平。而纳米技术从某种意义上讲却不是这样。比方说它希望缺陷越多越好，一个一个的小纳米粒子通过纳米技术组织起来，它们之间的各种空隙就相当于一个缺陷，缺陷越多越能体现它的材料性质和纳米粒子性质。
　　
　　纳米科技与我们的日常生活
　　
　　这个纳米科技与我们的衣食住行有什么关系。尽管我们现在很难感受到它的存在，但在不远的将来，我相信大家会越来越感觉到人的生活、人的工作都离不开纳米科技。纳米科技可以广泛地用于环境的治理和环境的改善。大家知道现在汽车的尾气污染非常严重，那么纳米科技就可以解决汽车尾气对环境的污染问题。
　　比方说用纳米材料制成的纳米管，这个管状东西可以用来储氢气，储氢以后可以用来做颜料、电池，电池放到汽车上可以用于绿色环保汽车。它燃烧之后产生水，发出的电可以推动汽车跑。水自然是没有污染的，这样就可以从根本上解决汽车尾气的污染问题。
　　还有我们知道，汽车现在的分量很重。因为它的大部分都是金属部件。如果把纳米粒子跟塑料、跟聚合物结合起来，用它来取代金属部件，那么这样做成的汽车就会特别特别的轻，特别轻了以后就很省油。有人曾经计算过，如果用纳米技术做成汽车的话，每年可以节省汽油15亿升，这样既减少了环境污染，又可以节省能源，而且汽油燃烧少了，自然二氧化碳的排放量也就少了。
　　现在大家生活水平都提高了，大家也越来越有余力去重视健康问题，纳米科技在这个方面也有非常广阔的应用前景。
　　比方说现在的医疗水平，一般是等到疾病发展到一定程度的时候你才能诊断出来。如果能早知道病情，早期治疗，早期检测的话，显然对治疗是有好处的。就像克林顿曾经说过的，如果说癌症在刚刚出现几个癌细胞的时候就能被发现，显然对治疗特别有利。而纳米技术就有可能做到这一点，因为纳米技术的检测灵敏度特别高。你甚至可以把一个纳米大小的传感器放到身体的重要器官里面去，比如说放到你的心脏里面去，放到肺部里面去，时刻监测身体各部位的运行状态，看它是否发生病变。这样的话，显然是有利于疾病的早期检测，并能进行更好的治疗。将来说不定某一天，我们可以把纳米机器人放到身体里面去，直接循着血管清除病灶。再举个例子，比方说大家感冒后吃药，一般吃一次可以管12个小时。而将来用纳米技术做成的药可能一次可以管一周，也就是说你吃一次药就已经足够了，甚至一个月不会感冒也是有可能的，这就是所谓的纳米缓食技术。利用纳米技术，还可以让做成的药直接到达原来到达不了的病灶，这样既提高效率又可以减少对正常器官的损害，这就是所谓的纳米定向，药物输送技术。
　　实际上在衣食住行的各个方面，将来你都会找到纳米技术的影子。比方说衣，大家现在看广告，已经看到利用纳米技术做的衣服，它可以不用洗。关于食，纳米是不能吃的，但纳米技术跟吃有关系，比方说，利用纳米技术可以提高农作物的产量，而且利用纳米技术可以做绿色化肥、绿色农药，这样大家就不用担心蔬菜洗了以后是不是还有残留物，担心这些残留物对身体健康有影响。关于住，日本的科学家已经发明了一个非常有用的技术，研制出一种纳米涂料，这种纳米涂料叫做治清洁材料。把这种治清洁材料涂到玻璃、墙壁上，它可以直接清除污垢、杀菌消毒。如果利用这些材料做成住房的话，大家就不用擦玻璃了，高层建筑擦玻璃是很难办的事情。关于行，刚才我们已经讲到，可以坐绿色环保型的汽车去周游，或许将来有那么一天你可以直接利用纳米材料做的“电梯”登上月球，这也不是没有可能。
　　随着微电子技术的迅速发展，我们已经逐渐进入信息化的社会，我们每天都与大量的信息打交道，我们的生活、我们的工作甚至很难离开计算机。实际上第一台计算机在1946年出现的时候非常非常的庞大，有一间房子那么大，但是它的功能还不如现在的一个高级一点的计算器。为什么计算机可以做得越来越小呢?实际上就是微加工技术水平越来越高。据预测，大约十年以后，即2010年左右微米技术计算机的发展就会达到极限，到时候你必须发展新的技术。纳米技术有可能突破微电子技术的极限，这样我们就可以做更高级的计算机，做功能更强大的计算机。
　　
　　纳米科技对国家安全的影响
　　
　　大家都记得科索沃战争中的F117隐形飞机，它是用隐身材料做出来的，表面上涂了隐身材料，雷达看不到它，只有它打你你没法打它，这说明纳米技术在新武器的隐身研制方面所起的作用也是非常重要的。现在不光有隐身飞机还有隐身导弹、隐身坦克，隐身军舰等等，纳米技术在高科技武器的研制方面可以讲几乎是无所不用。另外，现在的战争已经不是简单的枪对枪、炮对炮的战争，电子信息战非常重要，你掌握不了信息的制高点你可能就要被动挨打。而先进的纳米电子学可以取得未来信息战的优势。客观地说，纳米技术已经逐渐走入人们的生活，但是如果像微电子技术那样产生广泛的深刻的影响的话，将是十几年或者30年以后的事情。它会逐渐进入人们的生活，可以讲21世纪是纳米科技的世纪。
　　(光剑摘自《千年论坛—智慧在此》)
（作者：刘忠范）